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硫化锡电子结构和光学性质的量子尺寸效应

吴琼 刘俊 董前民 刘阳 梁培 舒海波

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硫化锡电子结构和光学性质的量子尺寸效应

吴琼, 刘俊, 董前民, 刘阳, 梁培, 舒海波

Quantum confinement effect on electronic and optical properties of SnS

Wu Qiong, Liu Jun, Dong Qian-Min, Liu Yang, Liang Pei, Shu Hai-Bo
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  • 基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统研究了硫化锡(SnS)晶体、纳米单层及多层的结构稳定性、电子结构和光学性质. 结果表明:由于相对弱的层间范德瓦尔斯力作用,SnS单层纳米片可以像石墨烯等二维材料一样从块体中剥离出来;受制于量子尺寸效应和层间相互作用的影响,SnS的结构稳定性随层数减少而逐渐减弱,其带隙随层数减少而逐渐增大;由于材料的本征激发和吸收取决于电子结构,因此改变SnS材料的层数可以到达调控其光学性质的目的;SnS块体和纳米结构的主要光学吸收峰起源于Sn-5s,5p和S-2p轨道之间的电子跃迁;并且从块体到单层纳米结构,SnS 的光学吸收峰出现明显的蓝移. 本文的研究将有助于SnS材料在太阳能电池领域的应用.
    The structural stabilities, electronic and optical properties of SnS bulk, monolayer, and multilayers are systematically studied by using the first-principles calculations within the density-functional theory. Our calculated results indicate that monolayer SnS can be exfoliated from its bulk, and the process is similar to the fabrication of graphene. With the reduction of layer number, the structural stabilities of SnS nanostructures become weak and their band gaps increase due to the quantum confinement effect and the layer interactions. Therefore, the optical properties of SnS can be controlled by adjusting the layer number due to the fact that the optical properties of materials depend on their electronic structures. The main optical absorption peaks of SnS bulk and nanostructures originate from the electron transitions among the orbitals of Sn-5s, 5p and S-2p. Moreover, the optical absorption peaks of SnS show obvious blue shift when SnS structure transforms from its bulk to monolayer. The present study will contribute to the application of SnS materials in the solar cells.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61006051,61177050)、浙江省大学生科技创新活动计划(批准号:2013R409016)和浙江省科技厅公益技术应用研究(批准号:2013C31068)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61006051, 61177050), the College students in Zhejiang province science and technology innovation activities plan, China (Grant No. 2013R409016), and the Science and Technology Department of Zhejiang Province Public Technology Research Project of China (Grant No. 2013C31068).
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出版历程
  • 收稿日期:  2013-11-05
  • 修回日期:  2013-11-29
  • 刊出日期:  2014-03-05

硫化锡电子结构和光学性质的量子尺寸效应

  • 1. 中国计量学院光学与电子科技学院, 杭州 310018
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号:61006051,61177050)、浙江省大学生科技创新活动计划(批准号:2013R409016)和浙江省科技厅公益技术应用研究(批准号:2013C31068)资助的课题.

摘要: 基于密度泛函理论的第一性原理计算,系统研究了硫化锡(SnS)晶体、纳米单层及多层的结构稳定性、电子结构和光学性质. 结果表明:由于相对弱的层间范德瓦尔斯力作用,SnS单层纳米片可以像石墨烯等二维材料一样从块体中剥离出来;受制于量子尺寸效应和层间相互作用的影响,SnS的结构稳定性随层数减少而逐渐减弱,其带隙随层数减少而逐渐增大;由于材料的本征激发和吸收取决于电子结构,因此改变SnS材料的层数可以到达调控其光学性质的目的;SnS块体和纳米结构的主要光学吸收峰起源于Sn-5s,5p和S-2p轨道之间的电子跃迁;并且从块体到单层纳米结构,SnS 的光学吸收峰出现明显的蓝移. 本文的研究将有助于SnS材料在太阳能电池领域的应用.

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